从纳米材料再到单原子催化李亚栋院士近期工作让你大饱眼福

1、单原子催化剂工作介绍聚合物封装策略制备负载单原子位点的多孔氮掺杂碳纳米球作者利用聚合物封装策略，制备了稳定的多孔氮掺杂碳纳米球，其负载大量孤立单原子位点。这种策略方法简单、成本低，且对非贵金属(Co、Ni、Cu Mn等)和贵金属(Pd等)均适用。利用上述方法得到的Co-ISAS/p-CN纳米球在碱性介质中其电催化氧还原反应活性(E1/2=0.838V)，可媲美商业化20wt%，且具有优越的甲醇耐受性以及出色的稳定性。工作介绍理性设计单原子Mo催化剂，用于高效析氢作者通过球差校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)和X 射线吸收精细结构(XAFS)光谱探究催化剂的结构，表明Mo-SAs 与一个氮

2、原子和两个碳原子键合形成了Mo1N1C2。重要的是，相比Mo2C和MoN， Mo1N1C2 催化剂呈现出更加优越的活性，与商业Pt/C相比具有更好的稳定性。密度泛函理论计算显示Mo1N1C2的独特结构对HER性能提升起到了至关重要的作用。工作介绍模板诱导、热解策略制备单原子Co催化剂研究人员采用模板诱导热解方法，制备了一系列单金属嵌入氮掺杂碳空心球 (ISAS-M/HNCS, M=Co、Cu、Fe)。ISAS- Co/HNCS在酸性介质中展现了优异的ORR活性。它展现出了良好的抗甲醇重毒性和优异的稳定性。实验和DFT证明分散的单钴原子位点可有利于中间体OH*的加氢化，提高催化剂ORR活性。工作

3、介绍原位TEM直接观察贵金属纳米粒子转变为热稳定的单原子本文研究了贵金属纳米颗粒(Pd，Pt，Au- NPs)，在高温、惰性气氛中可以转变为热稳定单原子(Pd，Pt，Au-SAs)。通过SEM和XRD证实了金属单原子的原子分散，通过原位TEM实时观测动态转化过程，利用DFT模拟计算深入解释了其转化的机理。工作介绍原子铜蒸发+氨配位+缺陷ZIF，高效制备单原子催化剂在1173K高温和Ar氛围下，ZIF-8热裂解形成具有大量缺陷位的N掺杂碳载体；然后在NH3氛围下，基于路易斯酸碱强相互作用，NH3和泡沫铜表面的铜原子配位形成易挥发的Cu(NH3)x物种，铜以原子态发射出去。最后同样在NH3氛围下，

4、Cu(NH3)x物种被N掺杂的碳载体中的缺陷捕获，形成孤立的铜位点，然后形成单原子铜催化剂。工作介绍缺陷载体锚定贵金属原子，构筑特殊原子界面作者通过在缺陷的TiO2上锚定孤立的Pt原子来制备高性能的光催化剂。结果发现，Pt原子的存在可促进Pt-O-Ti3+ 原子界面的形成。通过实验表征以及DFT计算，证实了Pt-O-Ti3+原子界面有利于光生电子从Ti3+缺陷位到单个Pt原子的转移效率，有利于电子空穴对的分离。由于这种独特的原子界面， Pt1/def-TiO2催化剂具有最高的光催化制氢活性。工作介绍热处理+ 气体辅助策略， 制备单原子MOF基催化剂作者通过一种简单而新颖的方法来合成催化剂(Bi

5、SAs/NC)，通过热处理及吸附，将Bi-MOF和双 胺DCD在Ar氛围下，依次放置陶瓷容器，来合成Bi单原子催化剂。在氮掺杂的碳骨架中存在大量Bi-N4活性位点，且具有明显的分层孔隙率，可高效电催化二氧化碳还原。工作介绍利用离子交换法，制备高密度单原子Pt催化剂，提升H2O2的电合成效率该工作采用基于氧化还原反应的阳离子交换法，合成了 负载在空心CuSx球壳上的单原子Pt催化剂。其中Pt原子所占比例高达24.8 at%。在酸性溶液溶液中， 在0.05-0.7V内，催化剂将O2还原为H2O2的选择性高达92%-96%。EXAFS结果表明，Pt更倾向于与S而不是Pt配位。这使高浓度的Pt以单原子

6、的形式分散在CuSx球壳中，并避免了其团聚。高度共价的Pt-S键可实现高密度单原子Pt 位点及提高H2O2的电合成效率。工作介绍利用离子交换法，制备高密度单原子Pt催化剂，提升H2O2的电合成效率该工作采用基于氧化还原反应的阳离子交换法，合成了 负载在空心CuSx球壳上的单原子Pt催化剂。其中Pt原子所占比例高达24.8 at%。在酸性溶液溶液中， 在0.05-0.7V内，催化剂将O2还原为H2O2的选择性高达92%-96%。EXAFS结果表明，Pt更倾向于与S而不是Pt配位。这使高浓度的Pt以单原子的形式分散在CuSx球壳中，并避免了其团聚。高度共价的Pt-S键可实现高密度单原子Pt 位点及

7、提高H2O2的电合成效率。工作介绍通过控制中心金属的配合形式，来提高单原子位点的氧还原活性调整活性中心的电子结构是提高催化剂性能的有效策略。在此，作者报道了一种原子分散催化剂(FeCl1N4/CNS)，它首次通过配位氯控制中心金属的电子结构极大优化了ORR性能。FeCl1N4/CNS的半波电势为E1/2=0.921V， 具有良好的耐甲醇性和出色的稳定性。实验和DFT结果表明，Fe与氯的近程相互作用和与硫的远程相互作用调节了活性位点的电子结构，从而大大提 高了碱性介质的ORR性能。工作介绍本文综述了SACs的制备策略,可以分为自下而上和自上而下的方法。目前,大多数SACs通过自底向上的策略使用合

8、成氧化物或碳支持构建N、O缺陷使沉积金属前体。接下来是化学还原过程，从高氧化态离子到低氧化态离 子生成SACs。然而，由于金属的高聚集倾向和配位模式变化，常难以获得高负载量的单原子位点，极大地限制了它们在各种工业领域的潜在应用。在这方面，Li和Wu首次提出了一个自上而下的策略， 通过金属-有机骨架(MOFs)中金属节点的热解来构建SACs。在这种情况下，在MOFs中引入Zn原子是很重要的，可以有效地阻止高温热解过程中Co NPs的形成。由此产生的Co SAC具有接近5%的高金属负载，并显示出优异的化学和热稳定性。该策略的一个显著特点是不仅可以将金属载荷从1%大幅提高到5%，而且可以通过暴露真实

9、的活性位点来控制协调环境来构建高性能的SACs。这种自顶向下的策略克服了传统自底向上策略制造SACs的困难，有很大的潜力可满足实际应用的需求。除了制造策略，这些方法在不同化学反应中的应用也将被介绍。最后，作者也讨论了未来的挑战和机遇。纳米催化剂工作介绍原位电化学蚀刻合成开放纳米网笼结构，实现全pH范围内的高效电催化水分解产氢作者报道了一种分散-蚀刻-孔洞策略（DEH）策略制备高性能电催化剂。通过在电化学测试过程中原位蚀刻，从RuIrZnOx空心纳米盒中去除ZnO，成功获得了开放的三维纳米中空的纳米网笼催化剂，其开放式纳米网笼具有六个由相互连接的超细纳米线制成的网状壁，具有丰富的中孔结构，这些壁

10、孔组合在一起极大地增加了原子利用率，更多的活性位暴露。工作介绍高效通用策略！适用于不同非晶态贵金属纳米片的制备！由于常用的贵金属合成技术往往得到晶体纳米结构，而非晶贵金属纳米结构的合成仍然是一个巨大的挑战。在这里，作者提出了一种通过直接退火金属乙酰和碱盐的混合物，来制备数十种厚度小于10nm的非晶贵金属纳米片的通用方法。通过调整贵金属的原子排列可以优化其催化性能。例如，在酸性介质下，非晶态Ir纳米薄片表现出优异的OER性能，在1.53V时，其质量活性分别比晶态Ir 纳米薄片和商用IrO2 催化剂提高了2.5 倍和17.6倍。原位X射线吸收的精细结构谱表明，在析氧反应过程中，Ir的价态升高到近+

11、4价态，并在反应后恢复到初始状态。工作介绍空心纳米材料在催化领域的应用中空纳米结构具有高比表面积、富含活性位点、限定的空隙和可调的传质速率，可作为光催化、电催化、多相催化、均相催化等多种催化应用的催化剂、载体和反应器。本文综述了功能化中空纳米材料的催化研究进展，并从宏观角度将其分为五种类型，分别为组分修饰型、封装型、多壳结构型、锚定单原子位点型和表面分子修饰型。工作介绍混合溶剂热法用于制备富氧空位的超薄纳米薄片作者报道了一种用于制备具有富氧空位和光催化性能BiOBr超薄纳米薄片的新方法混合溶剂热法。通过在传统的多元醇溶剂热合成体系中引入水，来加速Bi3+前体的水解，从而影响晶体成核，最终得到表

12、面积大、表面OVs丰富的BiOBr纳米片。OVs的缺陷能级低于导带，不仅有助于缩小带隙，增强可见光的吸收，而且有利于载流子的生成和后续分离，从而共 同提高催化性能。在仲胺光氧化反应中，催化剂在常温、常压条件下具有较高的转化率、选择性和稳定性。工作介绍ORR金属催化剂综述：从纳米工程再到原子设计本文首先介绍了反应机理和电化学评价方法。首先简要回顾了铂基ORR催化剂的发展，并展示了科学家如何通过控制其组成、形态、大小和小面暴露来优化其催化性能。之后,作者描述了用于提高ORR催化剂的性能,的三个共同的策略提高性能：(1) 内在活性成分调制，(2)封闭金属物种在碳壳保护金属的腐蚀，(3) 构建多孔或其他大面积结构。此外，作者还简要回顾了SACs的发展，总结了近年来在ORR催化方面的研究进展，并论证了通过支撑结构和电子结构调控来提高SACs的ORR性能。工